基于K-S 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的從化流溪河流域先秦時(shí)期遺址預(yù)測(cè)模型

曹耀文

一、前言

遺址預(yù)測(cè)研究， 是基于對(duì)特定區(qū)域內(nèi)已知遺址進(jìn)行的環(huán)境因素分析，如高程、坡度、水系的距離、土壤類(lèi)型等，找出遺址分布的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律和特征。然后，在這個(gè)區(qū)域的其他地方用多變量判別函數(shù)對(duì)遺址存在的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出潛在遺址的概率分布[1]。 該研究方法，始于20世紀(jì)80 年代的北美地區(qū)，是GIS 在考古學(xué)中開(kāi)展得比較廣泛和重要的研究方向[2]。 20 世紀(jì)90年代開(kāi)始，GIS 方法在國(guó)內(nèi)考古研究中不斷得到運(yùn)用和推廣， 近年有部分學(xué)者嘗試運(yùn)用GIS方法開(kāi)展遺址預(yù)測(cè)研究， 運(yùn)用的方法有邏輯斯蒂回歸分析方法[3]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[4]、柯?tīng)柲Z夫-斯米爾諾夫（Kolmogorov-Smirnov，簡(jiǎn)稱(chēng)K-S）統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[5]等。 上述研究，以特定區(qū)域內(nèi)已掌握的遺址點(diǎn)為基礎(chǔ)， 運(yùn)用GIS 的空間分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析方法， 計(jì)算其與自然地理環(huán)境要素之間的定量關(guān)系， 進(jìn)而構(gòu)建可能的遺址分布概率模型。定量分析的運(yùn)用，使得人地關(guān)系的研究更加準(zhǔn)確和科學(xué)化。

本文嘗試運(yùn)用GIS 的空間分析功能， 借助K-S 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法構(gòu)建從化流溪河流域先秦時(shí)期遺址預(yù)測(cè)模型， 開(kāi)展從化流溪河流域先秦時(shí)期遺址分布的人地關(guān)系研究， 同時(shí)希望通過(guò)模型的建立為嶺南珠三角地區(qū)田野考古調(diào)查工作提供預(yù)測(cè)指導(dǎo)。

二、基礎(chǔ)資料及數(shù)據(jù)處理

1.基礎(chǔ)資料

流溪河，屬珠江水系北江支流，發(fā)源于廣州市東北部的從化區(qū)呂田鎮(zhèn)桂峰山一帶， 流經(jīng)從化全境。 地勢(shì)東北高西南低。 東北部以山地、丘陵為主，中南部以丘陵、谷地為主，中下游沿岸兩側(cè)有小面積沖積平原。 本文研究的遺址點(diǎn)資料，來(lái)源于2014 年6 月至2015 年3 月的調(diào)查：流溪河流域及從化東北部的連麻河流域和西部的潖江（二）河流域，共計(jì)發(fā)現(xiàn)各時(shí)期遺址361個(gè)，其中先秦時(shí)期遺址共計(jì)318 個(gè)[6]。

2.數(shù)據(jù)處理

首先，對(duì)先秦時(shí)期遺址的時(shí)代、文化內(nèi)涵等信息進(jìn)行量化處理。之后，將1:66000 從化行政區(qū)劃圖①分析所用底圖——1:66000 從化行政區(qū)劃圖來(lái)源于從化市地方志編纂委員會(huì)編寫(xiě)的《從化市志（1997—2004）》。、90 米DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)②數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)，配準(zhǔn)后制作從化河流水系、村鎮(zhèn)位置、行政邊界、路網(wǎng)等矢量圖層。 然后，根據(jù)行政區(qū)劃邊界圖， 對(duì)DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行截取， 利用DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲得高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)，利用矢量化河流水系獲得河流緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并根據(jù)研究需要對(duì)上述四要素進(jìn)行區(qū)間劃分。 最后再將遺址點(diǎn)分布圖與海拔高程、坡度、坡向和距河流距離等圖層進(jìn)行疊加提取，獲取不同地理參數(shù)在不同區(qū)間的遺址分布數(shù)量。 （圖1～圖4）

三、遺址預(yù)測(cè)模型建立

1.研究方法及參數(shù)選擇

2.權(quán)重設(shè)置及模型建立

運(yùn)用GIS 構(gòu)建遺址概率分布圖時(shí)， 需對(duì)各環(huán)境參數(shù)及各參數(shù)內(nèi)部各區(qū)間進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。K-S 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析中，Dmax-Dc 的差值大小，決定著該環(huán)境要素對(duì)遺址分布的影響性大小，差值越大，顯著性越強(qiáng)。 據(jù)此，根據(jù)海拔高程、坡度、 坡向和距河流距離4 個(gè)環(huán)境參數(shù)的Dmax-Dc 差值大小，將差值最大的參數(shù)外部權(quán)重值設(shè)為5①， 然后按照各參數(shù)Dmax-Dc 差值的大小等比例設(shè)置其外部權(quán)重。

內(nèi)部權(quán)重， 由各環(huán)境參數(shù)內(nèi)部區(qū)間遺址點(diǎn)數(shù)量多少確定。 運(yùn)用GIS 重分類(lèi)功能對(duì)各環(huán)境要素進(jìn)行區(qū)間劃分，根據(jù)遺址點(diǎn)與高程、坡度、坡向和距河流距離圖層疊加分析， 計(jì)算各區(qū)間的遺址點(diǎn)數(shù)量。 將環(huán)境參數(shù)內(nèi)部權(quán)重最大值設(shè)定為5①參照同類(lèi)研究設(shè)置。 見(jiàn)牛少靜、彭淑貞、張偉等所撰寫(xiě)的《山東沂沭河流域龍山文化考古遺址分布與環(huán)境的關(guān)系》，從高到低依次等比例設(shè)置內(nèi)部權(quán)重。

圖1 先秦遺址海拔高程分布圖

圖2 先秦遺址河流緩沖區(qū)分布圖

圖3 先秦遺址坡度分布圖

圖4 先秦遺址坡向分布圖

圖5 遺址點(diǎn)數(shù)量及面積累積頻率曲線

經(jīng)過(guò)計(jì)算，Dc 值為0.0763。 Dmax-Dc 值，海拔高程＞坡度＞距河流距離＞坡向，其中前三者Dmax-Dc 值均大于臨界值Dc，說(shuō)明三要素是影響遺址分布的顯著性因素，外部權(quán)重依次設(shè)定為5、4、3。 而坡向Dmax-Dc 值小于0.05，未通過(guò)檢驗(yàn)，說(shuō)明顯著性影響較差，外部權(quán)重設(shè)置為0。 各環(huán)境要素內(nèi)部權(quán)重依次設(shè)定為5～0。 總權(quán)重由外部權(quán)重和內(nèi)部權(quán)重的乘積得來(lái)。 （見(jiàn)表1）

表1 各環(huán)境參數(shù)權(quán)重設(shè)置

在確定內(nèi)部權(quán)重、 外部權(quán)重以及總權(quán)重之后，利用ArcGIS10.0 軟件的柵格計(jì)算器功能進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算， 最終獲得從化流溪河流域先秦遺址分布概率圖。 （圖6）

將遺址點(diǎn)與遺址分布概率圖疊加分析，發(fā)現(xiàn)超過(guò)45%的遺址分布于高概率區(qū)，43%的遺址位于中概率區(qū)。綜合來(lái)看，絕大多數(shù)遺址均位于中高概率分布區(qū)。

3.模型檢驗(yàn)

為驗(yàn)證遺址預(yù)測(cè)模型精度， 本文采取Kvamme 增益統(tǒng)計(jì)方法[7]。 表述方式為Gain=1-Pa/Px。其中，Gain 為增益值，Pa 表示概率區(qū)占研究區(qū)面積的比例，Px 表示概率區(qū)內(nèi)遺址點(diǎn)數(shù)量占研究區(qū)總遺址點(diǎn)數(shù)的比例。 當(dāng)增益值接近1 時(shí)，表示模型預(yù)測(cè)能力強(qiáng)；當(dāng)增益值接近0 時(shí)， 表明模型預(yù)測(cè)能力較弱； 如為負(fù)值，則表示具有反向的預(yù)測(cè)能力，即為預(yù)測(cè)遺址不存在的概率。

圖6 從化流溪河流域先秦遺址分布概率圖

表2 遺址預(yù)測(cè)模型Kvamme 增益值統(tǒng)計(jì)表

運(yùn)用GIS 重分類(lèi)概率圖與遺址點(diǎn)疊加分析，計(jì)算出不同概率區(qū)的Kvamme 增益值。（表2）

從表2 可知， 高概率區(qū)面積占研究區(qū)域總面積的比例僅為13.64%，可是在調(diào)查中，卻發(fā)現(xiàn)了45.28%的遺址，Kvamme 增益值高達(dá)0.7，在較小的面積里面發(fā)現(xiàn)了較多的遺址。這說(shuō)明，該遺址預(yù)測(cè)模型可有效識(shí)別遺址高概率區(qū)。

四、分析討論

1.從遺址分布概率圖看，高概率分布區(qū)集中分布于從化流溪河中游干流及兩側(cè)大型一二級(jí)支流兩岸。此外，流溪河下游部分一二級(jí)支流兩岸， 流溪河上游呂田盆地、 安山盆地， 潖江（二）河兩側(cè)支流兩岸，也零星分布著高概率區(qū)。中概率分布區(qū)， 集中于從化南部的流溪河下游平原區(qū)及潖江河遠(yuǎn)離河道的區(qū)域，此外，從化東北部山地丘陵地帶的流溪河支流兩岸， 也是中概率分布區(qū)。低概率分布區(qū)，位于從化東北部遠(yuǎn)離河道的山地丘陵地帶， 中下游高山區(qū)也是低概率分布區(qū)。遺址概率的分布，與從化地形地貌及河流水文密切相關(guān)。

從已調(diào)查發(fā)現(xiàn)的遺址點(diǎn)分布情況來(lái)看，從化中北部高概率分布區(qū)的遺址點(diǎn)分布均較密集， 說(shuō)明本次從化流溪河流域田野考古調(diào)查工作覆蓋面相對(duì)較高。 反觀從化流溪河下游南部及西部地區(qū)， 遺址預(yù)測(cè)模型顯示的高概率區(qū)卻鮮有遺址發(fā)現(xiàn)， 這與中北部遺址分布點(diǎn)與遺址預(yù)測(cè)高概率區(qū)高度重疊的現(xiàn)象存在較大差距。分析其原因：一是該遺址預(yù)測(cè)模型可靠性不高，對(duì)從化中北部地區(qū)的預(yù)測(cè)性較高， 而不適用于南部及西部地區(qū)，可能存在未考慮的因素；二是流溪河下游南部及西部地區(qū)田野調(diào)查工作不充分， 模型預(yù)測(cè)的遺址分布高概率區(qū)存在遺漏調(diào)查的情況， 這些高概率區(qū)是未來(lái)考古工作的重點(diǎn)區(qū)域。

2.通過(guò)運(yùn)用GIS 的空間分析和K-S 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析方法， 計(jì)算出海拔高程等自然因素影響遺址分布的顯著性定量關(guān)系，結(jié)果表明：從化流溪河流域先秦遺址分布，受自然因素影響顯著。其中，海拔高程、坡度、距河流距離是影響遺址分布的顯著性因素， 而坡向則對(duì)遺址分布影響甚微。 確定環(huán)境因素及權(quán)重比例后建立的遺址預(yù)測(cè)模型， 經(jīng)Kvamme 增益檢驗(yàn)具有較高的有效性。 通過(guò)遺址預(yù)測(cè)模型劃定遺址分布高概率區(qū)，可有效指導(dǎo)田野實(shí)踐，可有效節(jié)省人力、物力、財(cái)力，減少考古工作的盲目性，起到事半功倍的效果。

3.GIS 及統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的運(yùn)用，使得考古學(xué)研究由定性分析向定量研究轉(zhuǎn)變。 數(shù)據(jù)分析的量化和科學(xué)性， 為聚落考古研究提供了新的方法和視角。 但也必須理性認(rèn)識(shí)定量統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在考古學(xué)研究中存在的不足。 如本研究使用DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)的精度為90米×90 米,分辨率較低。 雖然本文納入一部分自然環(huán)境因素分析研究，但需要注意的是，遺址分布不僅受海拔高程、坡度、距河流距離等自然環(huán)境因素影響，還會(huì)受降水、光照、植被、土壤、地質(zhì)等地理要素影響。 此外，社會(huì)、人文因素也是分析研究的重要參考。下一步，將在提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確性的基礎(chǔ)上， 納入更多的自然地理和社會(huì)人文方面的因素，提高遺址預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為考古調(diào)查工作提供更為科學(xué)的參考。